Le mécanisme de Kibble-Zurek pour les transitions de phase hors d’équilibre

Le mécanisme de Kibble-Zurek (KZ), confirmé expérimentalement uniquement pour les transitions de phase à l’équilibre, est également applicable aux transitions de phase hors équilibre, comme le montrent maintenant les chercheurs de Tokyo Tech dans une nouvelle étude. Le mécanisme KZ est caractérisé par la formation de défauts topologiques lors d’une transition de phase continue loin de la limite adiabatique. Cette découverte révolutionnaire pourrait ouvrir les portes à l’étude du mécanisme d’autres transitions de phase hors d’équilibre.

Les transitions de phase décrivent divers phénomènes qui nous entourent, de l’eau se transformant en glace aux transitions magnétiques en passant par la transition supraconductrice où la résistance électrique disparaît. Dans les cas de la supraconductivité et du magnétisme, la transition de phase est continue, caractérisée par une « rupture de symétrie » qui conduit à la formation d’un état ordonné.

L’état ordonné est parfait (sans défaut) lorsque cette transition est très lente, régime appelé limite adiabatique. Cependant, pour les transitions ne satisfaisant pas cette limite, apparaissent des défauts topologiques, dont la génération est décrite par le mécanisme de Kibble-Zurek (KZ). Expérimentalement, le mécanisme KZ se manifeste par une dépendance en loi de puissance de la densité de défauts sur la vitesse de refroidissement.

Fait intéressant, le mécanisme KZ, bien que largement étudié pour les transitions de phase à l’équilibre thermique, n’a pas encore été démontré expérimentalement pour les transitions de phase hors équilibre. Cependant, une étude de simulation récente a suggéré que le mécanisme KZ peut être appliqué aux transitions d’ordre dynamique entre les états d’écoulement désordonné et ordonné, un phénomène qui peut être testé expérimentalement dans les systèmes de vortex supraconducteurs.

À cette fin, un groupe de recherche de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, dirigé par le professeur Satoshi Okuma, a récemment montré que l’état de mouvement d’une collection de flux magnétiques (vortex) pénétrant dans un supraconducteur est en train de se déséquilibrer. transition de phase d’un écoulement désordonné à un écoulement de réseau ordonné, et les défauts de réseau apparaissent spontanément conformément au mécanisme KZ. Leur étude a été publiée dans Lettres d’examen physique.

Dans leurs travaux, l’équipe a préparé un film en forme de bande de 330 nm d’épaisseur de MoxGe1−x amorphe (x ≈ 0,78) sur un substrat de silicium, puis l’a refroidi pour permettre une transition supraconductrice à 6,3 K. En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à la surface, les tourbillons ont été générés et les expériences ont été réalisées à 4,1 K sous une intensité de champ de 3,5 T.

L’équipe a entraîné les tourbillons à l’aide d’un courant d’entraînement qui a augmenté de manière linéaire à différents taux d’extinction (dI/dt). En atteignant le point final de trempe, la configuration du vortex a été gelée en coupant brusquement le courant.

« Dans notre étude, nous avons testé les prédictions de simulation en examinant expérimentalement l’ordre de configuration des tourbillons après avoir subi un ordre dynamique en fonction du taux d’extinction », explique le professeur Okuma.

L’équipe a constaté que la configuration du vortex devenait moins ordonnée avec l’augmentation des taux d’extinction, ce qui signifiait une transition de phase. « Nous avons étudié les défauts de réseau apparaissant au cours de cette transition et leur variation avec le taux d’extinction », explique le professeur Okuma.

« Nous avons constaté que la densité de défauts évoluait comme une loi de puissance avec le taux d’extinction, conformément au scénario KZ », souligne-t-il. L’équipe a également estimé l’exposant de la loi de puissance (≈ 0,4-0,5), qui était proche de la valeur prédite par simulation (0,39).

« Nous avons également observé un croisement impulsion-adiabatique du côté ordonné de la transition, une autre prédiction clé du mécanisme KZ », ajoute le professeur Okuma.

Dans l’ensemble, cette étude étend l’applicabilité du mécanisme de Kibble-Zurek des transitions de phase à l’équilibre aux transitions de phase hors d’équilibre, ouvrant la porte à d’innombrables nouvelles recherches. Compte tenu de ce résultat historique, de nouveaux développements sont attendus dans le domaine de recherche des transitions de phase hors d’équilibre.